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钙钛矿Ho(Fe/Mn)O_3的单晶生长及磁热效应研究

邵铭杰  
【摘要】:本文以钙钛矿结构RMO_3(R为稀土元素,M为过渡金属元素)体系为研究对象,以单晶生长、磁学和热力学效应作为切入点,系统研究了高质量HoFeO_3单晶的生长条件,并对样品进行了一系列的结构和物性表征。同时,对HoFeO_3单晶在低温下伴随着变磁性相变的巨大磁热效应进行了深入细致的研究。此外,还对D_(y1-x)Ho_xMnO_3体系样品的磁性、磁热效应以及低温下的应变等进行了深入的研究。主要研究工作如下: 1.通过光学浮区法对HoFeO_3单晶的生长过程进行了探索,确定了适合该体系单晶生长的温度、压力、旋转、气氛和流量等生长条件,成功制备了高质量的HoFeO_3单晶。通过XRD分析,确认样品具有良好的单相性。通过对HoFeO_3单晶的EMPA(Electron microprobe analysis,电子显微探针分析)分析,并结合晶体生长的温度梯度、生长速度以及单晶直径之间的联系,对存在于样品内部的微小裂缝现象进行了合理的分析和解释。通过EDS(Energy-dispersive X-rayspectroscopy,能量弥散X射线谱)分析确定了样品的成分,结果显示我们的样品没有成分偏析。同时,我们通过劳厄定向明确了晶体的各个晶轴,并通过拉曼散射验证了单晶定向的精准性,为下一步实验提供了良好的试样。 2.通过物性测量,讨论了HoFeO_3单晶的磁特性、热性质以及磁热效应。通过对样品的磁特性分析研究,确定了HoFeO_3单晶的自旋重取向温区范围。由于样品内部存在磁晶各向异性和自旋-轨道耦合,各方向矫顽力和温度之间具有不同的变化关系。根据朗道二级相变理论进行推算,在自旋重取向温区内,比热曲线应该存在一个突变。但是由于K2(与温度相关的材料的自由能的四次项系数)值过小导致不能直接从比热曲线直接观察到自旋重取向区域的比热反常,从而使得实验上不能通过比热测量直接推算样品的磁熵变等热力学性质,所以我们只能通过等温磁化曲线(M-H)由麦克斯韦方程计算样品的磁熵变。由于样品具有丰富的磁相变,比如Ho3+的反铁磁有序转变、离子间的相互作用以及磁场诱导的变磁性转变,我们的测量发现样品的磁熵变出现了两个最大值,也就是双峰现象。通过与其它材料体系的对比,我们认为HoFeO_3单晶(制冷量为220J/Kg)可以作为一种非常适合低温应用的候选磁制冷材料。 3.对D_(y1-x)Ho_xMnO_3(x=0-1)多晶样品的磁性、磁热效应以及低温下的应变进行了系统的研究。结果表明,该体系样品随着Ho的掺杂浓度的增加,样品的磁性逐渐增强,这和稀土离子的磁性变化相符。而且随着温度的降低,样品经历了丰富的磁结构转变。由Arrott图可以看出,这些磁相转变包括了一级相变和二级相变。通过计算磁熵变,我们发现磁熵变峰值温度与稀土离子的磁有序温度以及稀土离子和Mn3+离子相互作用所对应的温度不一致。同时,我们发现,随着掺杂浓度的增加,样品的磁熵变随之增大,但是峰值所对应的温度点不发生偏移,这说明稀土离子的掺杂只改变峰值的大小而不改变峰值位置。我们以HoMnO3多晶材料为例,随着磁场变化量的增大,磁熵变的峰值温度发生了向高温方向的偏移,说明样品存在着变磁性相变。我们认为,该体系样品的磁熵变不仅仅是由于稀土离子磁有序和变磁性相变引起的,应该有更为复杂的机理。通过应变测量,我们发现低温下存在一个本征的结构相变。从而引起了一系列丰富的磁相转变和离子间的相互作用变化,致使样品在低温下展现了巨大的磁熵变效应。而该样品在低温下展现出来的巨大的磁制冷量(RC)值(312J/Kg)和磁熵变(12.5J/Kg K)表明该体系样品可以作为一种很有前景的磁制冷材料。


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